Seleção de Materiais para Fuselagem de Aeronaves

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
ENGENHARIA MECÂNICA
ENSAIOS E SELEÇÃO DE MATERIAIS
FUSELAGEM DE AERONAVES
SÃO LUÍS
2015
WALLACE SOEIRO FERREIRA – 1412102
WILLIAM CUNHA REZENDE MEDEIROS TAVARES – 1412107
ANDERSON MARINHO MORENO – 1412134
SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA FUSELAGEM DE AERONAVES
Trabalho da disciplina referente
à parte da grade curricular e
 avaliativa.
SÃO LUÍS
2015
INTRODUÇÃO
A fuselagem é a estrutura principal de uma aeronave. Ela provê espaço para cargas, passageiros, acessórios etc., e em aeronaves monomotoras, é nela que está abrigado o motor. 
A fuselagem de uma aeronave de asa fixa é geralmente considerada como dividindo-se em 5 partes principais - fuselagem, asas, estabilizadores, superfícies de controle e trem de pouso.
Os componentes da fuselagem são construídos de uma grande variedade de materiais e são unidos através de rebites, parafusos e soldagem ou adesivos.
Há dois tipos gerais de construção de aeronaves, treliça e monocoque. O tipo treliça consiste de uma amarração rígida feita de membros como vigas, montantes e barras que resistem à deformação gerada pelas cargas aplicadas.
Há uma preocupação imensa quanto à seleção do material para a fuselagem de aeronaves, e esse será o objetivo do presente trabalho.
REQUISITOS ESTRUTURAIS
A fuselagem de uma aeronave é a sua estrutura principal. Desde o começo do século XX, um metal já estava presente na sua estrutura: o alumínio. O alumínio veio ocupando espaço no mercado devido a alguns fatores como: densidade, alta ductilidade, consequentemente um baixo módulo de elasticidade, altas condutividades térmicas e elétricas, elevado calor latente de fusão, fácil conformação, fácil de soldar etc., e na aeronáutica, é um metal, juntamente com suas ligas, viável para utilizar em aplicações na fuselagem.
Quanto a essa grande utilização do alumínio na indústria aeronáutica, a Alcoa vem estudando mais ainda a possibilidade de se reduzir o peso das aeronaves, tendo isso tendo impacto na composição dos metais na fuselagem. O alumínio puro ainda não foi essencial, foi desenvolvida então ligas de alumínio.
SELEÇÃO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO
O fato de o alumínio ser um metal ideal para compor as fuselagens das aeronaves não quer dizer que possa haver ainda uma melhora na adição de elementos de liga. Deu-se origem a novos elementos de liga, tendo o lítio como elemento principal. O lítio é leve, e com a adição de 1% apenas proporciona a redução de 3% na densidade e aumento de quase 5% no módulo de elasticidade, tornando-o mais resistente. Com a diminuição do peso da aeronave, há um menor gasto de combustível para manter a aeronave no ar.
Quaisquer erros de fabricação podem causar graves acidentes, por isso há um grande estudo para a seleção dos materiais que serão utilizados para compor a fuselagem. Exemplo: não poderia usar o aço, pois é um metal pesado e que acarretaria em grande gasto de combustível com uma dificuldade imensa para mantê-lo no ar. Daí deu-se a preferência a ligas de alumínio, mas estudos estão avançando para a criação de ligas mais leves e resistentes para o maior rendimento das aeronaves
VANTAGENS
Algumas vantagens do alumínio na fuselagem em relação a outros materiais:
Devido à alta condutividade elétrica, caso o avião receba um relâmpago, ele dissipará a eletricidade ao longo da fuselagem, protegendo assim os passageiros
Quando feita em alumínio, a fuselagem tem condições de deformar-se no ar, ao ser submetida a um pequeno impacto. Já em materiais como a fibra de carbono, a fuselagem quebraria.
Caso o alumínio apresente fadiga, trincas e sinais de corrosão, fica visível a necessidade de reparos. Em outros materiais, é preciso usar um ultrassom (ensaio mecânico não-destrutivo) para checar os eventuais danos.
REQUISITOS SUPERFICIAIS
As aeronaves estão sujeitas a deterioração durante sua utilização, e sua superfície deve estar preparada para enfrentar, por exemplo:
Grandes variações de temperatura e pressão.
Tempestades de Granizo.
Resíduos da pista.
Vazamentos de óleo, combustível e graxa.
Para evitar danos mais severos à fuselagem é aplicada uma pintura, que também tem características estéticas e de decoração. 
Um desafio, no entanto, é proteger bem as partes da aeronave que não devem ser pintadas, como antenas, sondas e elementos de detecção. Quase todas as partes externas do avião podem ser pintadas, principalmente as que possuem alumínio, para proteção. As exceções são isolamentos e partes em aço inoxidável, partes dos motores e estabilizadores, bordas de janelas e portas, pois são áreas suscetíveis à formação de gelo.
O principal objetivo, de qualquer acabamento a tinta, é sem dúvida a proteção das superfícies expostas contra a deterioração. Ainda assim existem outras razões para o uso de um programa particular de pintura são: 
A redução do brilho com revestimentos não reflexivos. 
O uso de acabamentos brancos, claros ou brilhantes para reduzir a absorção de calor. 
Necessidades de alta visibilidade. 
Marcações de identificação. 
Todos esses são de importância secundária para a proteção oferecida por uma pintura em boas condições. Uma pintura desbotada ou manchada, mas bem fixa, ainda é bem melhor que um retoque recente mal tratado e aplicado sobre sujeira, produtos corrosivos ou outros tipos de contaminantes.
Uma variedade de materiais é usada durante todo o processo de acabamento, tanto para a pintura como para finalização. Em todo o processo são usados muitos tipos de matérias dentre eles vale destacar o uso de esmaltes, resinas e revestimentos de várias fórmulas diferentes. A pintura possui três componentes: A resina que é usada como revestimento, os pigmentos usados para dar a cor e os solventes para dar a mistura uma boa viscosidade.
Já a estrutura interna e os componentes não expostos recebem acabamento apenas para protegê-los de corrosão e deterioração. O acabamento de decoração é feito por último, nessa parte são incluídos listras, números, letras, logos e emblemas das empresas do ramo de aviação.
Porém essa a tinta utilizada afeta o peso da aeronave, por exemplo, a Airbus calcula que um A380 leve 531 kg de verniz e base para a tinta, o que somaria 650 kg no total com todas as camadas de pintura. Cada grama de tinta significa mais combustível para manter a aeronave no ar, por isso algumas empresas usam a pintura eletrostática, que apresenta um ótimo resultado e utiliza uma quantidade inferior de tinta. 
Podem ser citadas outras vantagens da pintura eletrostática em relação à pintura manual com revólveres de tinta específicos, entre elas: diminuição do peso da aeronave em decorrência da menor quantidade de tinta, isso acarreta a diminuição do consumo de combustível, e este por sua vez diminui a poluição no ar causando menos dano ao meio ambiente; tempo de pintura reduzida em 45%; acabamento perfeito; e economia de 50% de tinta.
PRINCIPAIS MECANISMOS DE DEGRADAÇÃO QUE COMPROMETEM A FUNCIONALIDADE
Os critérios de seleção de materiais são muito importantes na fabricação dos meios de transporte, e na indústria aeronáutica tornam-se mais importantes ainda, pois, no caso de um acidente, o risco de mortalidade é extremamente alto, erros mínimos ou tempo adversos podem causar sérios acidentes.
Hoje, a maior parte da estrutura é construída com titânio, aço e alumínio. Mas as fábricas já utilizam outros materiais, à base de plástico e fibra de carbono para deixar as aeronaves comerciais mais leves. Essas combinações de plásticos e fibra de carbono são chamadas de materiais compósitos, e possuem um menor peso e grande resistência. 
Em seguida, veremos os principais critérios que devem ser levados em conta para que não haja a degradação da fuselagem de uma aeronave.
FADIGA
Nas aeronaves ocorrem repetitivas cargas cíclicas, são cargas que acontecem no regimeelástico, ou seja, o material pode se alongar de forma imperceptível, ao aliviada a carga, a peça volta ao seu comprimento original. Em um avião isso acontece em diferentes fases do vôo, desde a decolagem até a aterrissagem, passando pela subida, cruzeiro, turbulências e curvas, mesmo sendo cargas baixas acabam provocando deformações permanentes, trincas e até colapso do material. É o que chamamos de fadiga. 
 A vida útil de um avião é o número de ciclos que a estrutura pode suportar selecionar um material de alta resistência a fadiga é proporcionar uma maior vida útil para uma aeronave.
RESISTÊNCIA À OXIDAÇÃO
Os aviões estão frequentemente em contato com a atmosfera, por isso é necessário selecionar materiais com resistência a oxidação, caso contrário o preço de manutenção seria inviável, porque em materiais sem resistência a oxidação há uma constante perda de átomos para a formação de óxidos, com isso seria necessário trocar determinadas peças ou pintá-las em determinado tempo.
RESISTÊNCIA MECÂNICA E PESO
Na construção de meios de transportes levam-se em consideração diversos requisitos, há uma busca de materiais com maior resistência com menor peso, na indústria aeronáutica estes dois requisitos são muito importantes.
É necessário escolher materiais resistentes para construção dos aviões, pois eles passam por diversos esforços durante a utilização, ao mesmo tempo há uma necessidade de materiais leves para reduzir o consumo. A partir da década de 30, com o desenvolvimento das chapas de alumínio, o metal tornou-se componente obrigatório do revestimento dos aviões.
Em um vôo, uma aeronave enfrenta uma oscilação de temperatura digna de um deserto: dos 60 graus negativos, atingidos nas mais elevadas altitudes, até 60 graus positivos. Em caso de um impacto contra um pássaro, por exemplo, o alumínio é capaz de absorver o choque e se deformar, enquanto outros materiais podem rachar ou quebrar. O alumínio tem elevada plasticidade e, em função disso, tem alta capacidade de absorver energia de impacto. Quando deformado por pequenos danos, pode continuar trabalhando sem riscos até um reparo, ou até mesmo continuar sem reparos o resto da vida útil do componente. Uma das situações em que o alumínio se mostra mais eficaz é na resistência a danos sofridos em solo, principalmente ao redor das portas de embarque, que são usualmente danificadas pelo contato com caminhões, mas que resistem bravamente graças à absorção de impacto exercida pelo material.
Além disso, o alumínio possui resistência elevada à fadiga. Quando há algum desgaste, seus sinais são conhecidos, como trincas e corrosão, observáveis a olho nu, ao contrário dos compósitos que exigem inspeção por meio de um sistema de ultrassom. Devido às propriedades físicas do alumínio, caso o avião receba um relâmpago, ele dissipará a eletricidade ao longo da fuselagem, protegendo os passageiros.
Os efeitos das descargas na aeronave classificam-se em efeitos diretos e indiretos. Os efeitos diretos consistem em danos físicos provocados na estrutura ou nos equipamentos por impacto direto ou devido à condução da corrente. Os danos podem consistir em: perfurações, explosão, queimaduras e vaporização de estruturas e componentes, compressão magnética, ondas de choque e sobrepressões, explosão de vapores de combustível e choques elétricos.
Os efeitos do meio ambiente nos componentes estruturais e não estruturais de uma aeronave, sempre foram uma preocupação para seus fabricantes. Fabricada com diversos materiais metálicos e não metálicos, estabelecendo-se uma complexa equação de forma a atender requisitos de peso, elasticidade, resistência à fadiga, resistência à corrosão, etc., a aeronave constitui um grande desafio às leis naturais, para que seu objetivo seja cumprido: transportar o homem com segurança. Cuidados são necessários na seleção de materiais; sua combinação nas montagens de conjuntos; processos de fabricação; alívio de tensões; proteções temporárias e definitivas contra ação do meio ambiente e ataque microbiológico; provisão de drenagem de eletrólito; acessos especiais para limpeza e manutenção. Por mais que esses cuidados sejam tomados, existem as ações do homem que de forma involuntária pode induzir ou acelerar o processo de corrosão, durante suas atividades normais quando em contato com a aeronave. Também podem existir limitações de mercado ou de projeto que garantam a possibilidade de 100% de inexistência de um processo corrosivo. Para minimizar os efeitos do meio ambiente, proteções tais como selantes, inibidores de corrosão, tintas, tratamentos superficiais, óleos de proteção, etc., são considerados no projeto.
CONCLUSÃO
Conclui-se que a seleção do material é parte fundamental da elaboração do projeto, pois há muitos critérios a serem avaliados, como dimensão, facilidade de fabricação, considerações de peso etc., e que, para o uso em fuselagem de aeronaves, cabe ao material mais leve e resistente possível. A busca pelo material a mostra que o engenheiro de materiais deve estar presente sempre, para que não haja erro em projeto, o que pode acarretar em perda de vidas; uma perda incalculável. 
REFERÊNCIAS
http://www.aluminio100porcento.com/uploads/files/3_aplica%C3%A7%C3%B5es_do_alum%C3%ADnio_na_ind%C3%BAstria_aeron%C3%A1utica_e_aeroespacial.pdf
ftp://ftp.cefetes.br/cursos/MetalurgiaMateriais/AndreItman/Conforma%E7%E3o/Alum%EDnio-L%EDtio.pdf
http://www.spectru.com.br/Metalurgia/diversos/aluminio[1].pdf
http://www.revistaaluminio.com.br/recicla-inovacao/29/artigo242842-1.asp
http://economia.uol.com.br/noticias/redacao/2015/05/29/de-star-wars-a-pokemon-pintura-protege-e-decora-aviao-e-pesa-ate-650-kg.htm#fotoNav=2
http://aviacaomarte.com.br/wp-content/uploads/2015/04/04Pintura-e-acabamento.pdf
http://www.aviallpaints.com.br/pdf/White-Paper.pdf
http://www.cetecindustrial.com.br/equipamentos_para_pintura/pintura_eletrostatica/avioes_com_pintura_eletrostatica-27/
http://www.aaende.org.ar/ingles/sitio/biblioteca/material/PDF/COTE027.PDF
http://www.emfa.pt/www/po/crfap/conteudos/documentos/disponibilidade/certificacao/compendios/estruturas_e_sistemas_de_aeronaves.pdf.pdf
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfjCUAK/fuselagem-aeroespacial-mecanica-precisao-fatec-sp?part=4
Todas as referências acessadas em 02/12/2015.